（微电子学与固体电子学专业论文）4hsic功率mosfet特性研究与器件模拟.pdf

摘要 摘要 碳化硅( s i c ) 由于其带隙宽、热导率高、电子的饱和速度大、临界击穿电场 高等特点成为制作高温、高频、大功率和抗辐射器件的首选半导体材料之一。本 文采用了一种带有电流扩展层的新型功率m o s f e t 的器件结构，通过器件性能的 研究和器件参数的优化，获得了较低的特征导通电阻和较高的击穿电压。论文的 主要研究工作为： ( 1 ) 氧化层厚度和p 基区浓度对阈值电压的影响。阈值电压的大小直接影响 的器件的输出电流和沟道区电阻。通过i s e t c a d 器件模拟研究发现氧化层和p 基区厚度越大，阈值电压越大。因此要想获得较低的阈值电压，必须减小器件的 氧化层厚度和p 基区浓度。 ( 2 ) 器件的阻断特性研究。本文通过对p 基区厚度和浓度的研究得出要使器 件正常工作不至于发生基区穿通现象，p 基区必须满足的最小浓度和厚度关系。 ( 3 ) 减小器件的特征导通电阻。j f e t 区电阻、沟道电阻、积累层电阻和漂移 区电阻是导通电阻的四个最主要的组成部分。本文通过对j f e t 区宽度和浓度的优 化有效的降低了器件的j f e t 区电阻；在漂移区上方增加电流扩展层，使得电流均 匀流过漂移区，降低了漂移区的电阻。从而有效的降低了器件的总电阻。 ( 4 ) 对器件漂移区、j f e t 区和电流扩展层的浓度进行优化获得最佳的器件性 能。本文采用t a g u c h i 方法，即利用优值b f o m ，获得了1 5 4 m f l c m 2 的特征导通 电阻和2 1 0 0 v 的击穿电压。 关键字：碳化硅功率m o s f e t 特征导通电阻电流扩展层 a b s t r a c t 3 一一_ 一一 a b s t r a c t s i l i c o nc a r b i d e ( s i c ) i so n eo ft h ep r e f e r r e ds e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l si nt h e a p p l i c a t i o n so fh i g ht e m p e r a t u r e ，h i g h - f r e q u e n c y , h i g h p o w e ra n d r a d i a t i o nr e s i s t a n td u e t oi t se x c e l l e n tp h y s i c a lp r o p e r t i e ss u c ha sw i d eb a n d g a p ，h i g ht h e r m a lc o n d u c t i v i t ya n d h i g hc r i t i c a lb r e a k d o w nf i e l da n dh i g hs a t u r a t i o ne l e c t r o n d r i f tv e l o c i t y 刀l em a i n s t u d i e sa n dc o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s n l ee f f e c t so fo x i d el a y e rt h i c k n e s sa n dt h ep b a s ed o p i n gc o n c e n t r a t i o no n t h r e s h o l dv o l t a g eh a v eb e e ns i m u l a t e d t h r o u g ht h ei s e - t c a ds i m u l a t i o n ，w ef o u n d t h a tt h el a r g e ro fo x i d el a y e rt h i c k n e s sa n dp t y p eb a s ed o p i n gc o n c e n t r a t i o n ，t h eg r e a t e r o ft h et h r e s h o l dv o l t a g e t h e r e f o r e ，i no r d e rt oo b t a i nal o w e rt h r e s h o l dv o l t a g e ，t h e o x i d el a y e rt h i c k n e s sa n dt h ep t y p eb a s ec o n c e n t r a t i o nm u s tb er e d u c e d n l eb l o c k i n gc h a r a c t e r i s t i c so f d e v i c eh a v e b e e ns t u d i e d t h ed o p i n gc o n c e n t r a t i o n a n dt h i c k n e s so ft h ep - b a s er e g i o nm u s tb ed e s i g n e dt ob eo p t i m u mv a l u e st op r e v e n t t h ep e a c h t h r o u g hf r o ml i m i t i n gt h eb r e a k d o w nv o l t a g e t h er e d u c t i o no fs p e c i f i co n r e s i s t a n c eh a sb e e ni n v e s t i g a t e d j f e tr e s i s t a n c e ， a c c u m u l a t i o nr e s i s t a n c e ，c h a n n e lr e s i s t a n c ea n dd r i f tr e g i o nr e s i s t a n c e i st h em o s t i m p o r t a n tc o m p o n e n t so fo n r e s i s t a n c e i nt h i st h e s i s ，t h ej f e tr e s i s t a n c ei se f f e c t i v e l y r e d u c e db yo p t i m i z i n gt h ec o n c e n t r a t i o na n dw i d t ho fj f e tr e g i o n o nt h et o po ft h e d r i f tr e g i o n ，t h ec u r r e n ts p r e a dl a y e ri si n s e r t e d ，s ot h a tt h ec u r r e n tt h r o u g ht h ed r i f t r e g i o ni sm o r eu n i f o r m ，l e a d i n gt ot h er e d u c t i o no f t h ed r i f tl a y e rr e s i s t a n c e t h ec o n c e n t r a t i o no fj f e tr e g i o n ，c s la n dd r i f tr e g i o nh a v eb e e no p t i m i z e da n d w i t ht h ea p p r o a c ho fb f o m ，t h es p e c i f i co n r e s i s t a n c eo f1 5 4 聊q c m 2 a n dt h e b r e a k t h r o u g hv o l t a g eo f2 10 0 va l ea c h i e v e d k e y w o r d s ：s i l i c o nc a r b i d e p o w e rm o s f e t s p e c i f i co n _ r e s i s t a n c e c u r r e n t s p r e a d i n gl a y e r 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：聋轰鲻 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密 的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：堡喹迭 导师签名： 日期： 坠! 全：主 日期：猃f 垒! 皇! u 第一章绪论 第一章绪论 1 1s i c 功率m o s f e t 发展现状 以s i 和g a a s 为代表的传统半导体材料的高速发展推动了微电子技术的迅猛 发展，然而早在硅器件诞生不久，科学家就清醒的看到了它的应用局限性，硅器 件难以在高于2 5 0 。c 的高温下运行，特别是当高温与大功率、高频、强辐射环境 并存时，硅器件无法胜任。随着科学技术的发展，越来越多的领域要求电子系统 能够在更高温度条件下正常工作。而s i c 作为第三代宽禁带半导体材料具有宽禁 带、高电子击穿电场、高饱和电子速率等特性，近年来已经引起电子材料和微电 子领域的日益广泛关注。 到目前为止，具有半导体特性的金刚石的几个材料问题使得m o s f e t s 的实现 是不现实的，而s i c 是唯一一种本征的氧化物s i o ，的化合物半导体。这就使得它 成为高性能功率m o s f e t s 的理想品。另外，由于s i c 独特的材料特性，例如高击 穿电场、高的电子饱和速度、高热导率等，因而在高功率、高速、高温开关器件 中具有强大的潜力 1 】。特别的，s i c 的功率处理能力明显优于s i 。高击穿电场( 大 于s i 的1 0 倍) 允许更薄、掺杂更高的漂移区，宽禁带( 2 9 e v ) 能耐更高的工作 结温，高热导率( 大于s i 的3 倍) 能更好地散热。另外，它的制作技术，不像其 他宽禁带半导体，已经发展到可以生产大多数半导体器件的水平，外延层生长、 原位参杂和离子注入以及热氧化、刻蚀和欧姆接触，都可以用在s i c 上。 功率m o s f e t 的结构有很多种，目前已经实现的结构有：u 型槽栅m o s 场 效应晶体管( u m o s f e t - t r e n c hg a t em o s f e t ) ，双注入m o s 场效应晶体管 ( d i m o s f e t - d o u b l e i m p l a n t e dm o s f e t ) ，静电感应积累型场效应晶体管 ( s i a f e t - s t a t i ci n d u c t i o ni n j e c t e d a c c u m u l a t e df e t ) ，减小表面电场m o s 场效应晶 体管( r e s u r fm o s f e t - r e d u c e ds u r f a c ef i e l dm o s f e t ) ，积累沟道m o s 场效应 晶体管( a c c u f e t - a c c u m u l a t i o nc h a n n e lf i e l de f i e c tt r a n s i s t o r ) 以及三注入功率 m o s f e t ( t 1 2m o s f e t - t r i p l ei m p a n t e dm o s f e t ) 等等引。 二十世纪8 0 年代第一个s i cm o s f e t s 问世 3 ，1 9 9 4 年j w p a l m o u r 等人研制 了第一个功率m o s f e t s ：纵向槽栅m o s f e t s 4 ，即u m o s f e t s 。u m o s f e t s 是 一种具有吸引力的功率器件结构，因为基区和源区可以通过外延的方法形成，避 免了离子注入和与之相关的高温退火。u m o s f e t s 的反型沟道位于刻蚀槽的侧墙 上，是该结构的期间具有较高的分装密度。但是u m o s f e t s 有两个缺点：( 1 ) s i c 漂移区较高的电场导致栅氧化层中电场很高。这个问题在槽拐角处更严重。在高 2 4 h s i c 功率m o s f e t 特性研究与器件模拟 漏压下造成栅氧化层迅速击穿，这样，最大工作电压限制在小于理想击穿电压的 4 0 ；( 2 ) 沿着槽侧壁反型沟道中的载流子迁移率很低，这样就导致高的特征导通 电阻，使s i c 低漂移区电阻的优势发挥不出来。为解决氧化层电场过高的问题， j a c o o p e r 等人提出了一种新的结构 5 ，在槽的底部设计一层p 型参杂区，使槽 底的电场从氧化层s i c 界面转移到p 型区和n 型漂移区所构成的p n 结上，因此保 护了氧化层。y l i 6 3 等人首次报道了具有槽氧化层保护和结终端扩展( j t e ) 的 4 h s i c 纵向u m o s f e t s ，其阻断电压可达3 3 6 0 v ，特征导通电阻为1 9 9 r n q c m 2 。 品质因素嵋如。为7 7 m w c m 2 。2 0 0 8 年m o r t e z a 等人提出一种基于6 h s i c 的积 累性u m o s f e t 结构 7 ，通过改变特定区域的掺杂浓度，该结构得到了1 4 0 0 v 的 击穿电压，6 5m r 2 c m 2 的特征导通电阻。 避免槽栅拐角氧化层击穿的一个明显的方法就是消除这个拐角。1 9 9 6 年的报 道中介绍了平面双注入d m o s f e t s s l 。1 9 9 8 年s i e m e n s 报道了三注入的 m o s f e t 9 1 ，得到了1 8 0 0 v 的阻断电压和4 6 m f 2 a m 2 的特征导通电阻，2 0 0 0 年， k a n s a ie l e c t r i cp o w e rc o m p a n y 和c r e e ，i n c ，d u r h a m ，n c 研制了静电感应型f e t l l 0 】。 该器件的阻断电压为6 1 k v ，特征导通电阻为7 3 2 m q c m 2 。2 0 0 4 年，s e i - h y u n gr y u 等人用掺杂浓度为8 1 0 1 4 c m 3 、8 5 u m 厚的外延层研制了4 h s i cd m o s f e t t n l ，得 到了迄今为止最高的阻断电压( 1 0 k v ) 。特征导通电阻为1 2 3 m f 2 c m 2 ，比以前报道 的特征导通电阻下降了4 2 。2 0 0 7 年a s m i t a 和j a m e sac o o p e r 提出了具有电流扩 展层的d i m o s f e t t l 2 1 ，其阻断电压为1 0 5 0 v ，特征导通电阻为6 9 5 m f 2 c m 2 。 虽然纵向结构器件( d m o s ，u m o s ) 具有较低的特征导通电阻而希望被用于 分立的器件，但是横向m o s f e t s 则更适合集成其他电路分以发展功率集成电路。 1 9 9 7 年，j s p i t z 等人研制了横向m o s f e t t ”i ，其阻断电压高于那时候可利用的外 延层厚度所能允许的电压：2 6 0 0 v ，比当时的纵向器件大三倍。l d m o s f e t 需要 大的表面积来提供横向漂移区，但是这可以通过应用r e s u r f 设计技术来最小化。 t k i m o t o 等人研制了横向s i c 较小表面场m o s f e t ，阻断电压为1 6 2 0 v ，特征导 通电阻2 3 4 m q c m 2 。在r e s u r f 技术中，在p 型外延层中注入n 型漂移区，简单 地通过移动漏使其更进一步远离源区就可以得到任意高的阻断电压，然而实际上， 到目前为止，r e s u r f 器件并没有证明可以和s i c 纵向m o s f e t s 竞争。除此之外， r e s u r f 器件对于有源s i c 层上面氧化层中的表面电荷是很敏感的，在s i c 中， 这是一个非常难以解决的问题。 与6 h s i c 相比，4 h s i c 具有更高的体迁移率并且具有较小的各向异性，这就 使得4 h s i c 更适用于研制功率器件。因此目前s i cm o s f e t 的研究重点还是在 4 h s i cm o s f e t 上。通常采用改善氧化工艺和优化器件结构来提高4 h s i c m o s f e t 的沟道载流子迁移率。 第一章绪论 1 2s i c 功率m o s f e t 的研究意义和存在的问题 s i c 材料是一种宽带隙半导体材料，具有禁带宽度大、临界击穿电场高、热导 率高、电子饱和漂移速度高、电子迁移率高、介电常数小、抗辐射能力强、化学 稳定性好等优良的物理化学性质，以及与硅集成电路工艺兼容等特点，成为制造 高温、高频、大功率、抗辐射、不挥发存储器件及光电集成器件的首选材料。同 时，s i c 由于其特有的禁带宽度还是一种较为理想的短波长发光材料。因此，s i c 在恶劣环境下的优越性是s i 和g a a s 等传统半导体所无法比拟的，可广泛应用于 人造卫星、火箭、雷达、导弹、战斗机、通讯、海洋勘探、石油钻井、汽车电子 等军事和民用系统，成为国际上新材料、微电子和光电子领域研究的热点，一直 以来受到国家的重视和大力发展。目前以美国为代表的发达国家已经基本上解决 了s i c 单晶生长和同质外延薄膜，并开发出一系列高温、高频、大功率微电子器 件，以c r e e 为代表的一批公司已经开始提供s i c 器件的商业产品。 功率m o s f e t 是一种理想的开关器件和线性放大器件。它具有开关速度快， 开关损耗小；保真度高，非线性失真小；工作频率高，频率响应好；热稳定性高， 安全工作区宽；输入阻抗高，增益大，驱动功率小，驱动电路简单等优点，在功 率器件中占有极为重要的地位。在传统的s i 功率m o s f e t 中，其电流传输能力受 限于同时兼顾降低导通电阻和提高击穿电压这一矛盾关系上，为获得高的击穿电 压则必须采用高电阻率的漂移区，这对m o s f e t 而言是很多的弊端。由于s i c 材 料有高于s i 材料的临界击穿电场，对于给定的击穿电压，选取薄的轻掺杂漂移区， s i cm o s f e t 的导通电阻至少要比s im o s f e t 小两个数量级，特别是高击穿电压， s i cm o s f e t 更具优越性。 理论分析表明，用6 h s i c 和4 h s i c 制造功率m o s 器件，其特征导通电阻可 以比同等级的硅器件分别低1 0 0 倍和2 0 0 0 倍。这就是说如果用s i c 制造没有电导 调制效应的单级器件，在阻断电压高达1 0 k v 的情况下，其通态压降也会比硅的 有电导调制效应的双极器件低。而单极器件在工作频率方面要远胜于双极器件。 用碳化硅制造功率m o s f e t 是电力电子器件领域的热门课题之一，由于碳化硅材 料的临界雪崩击穿电场比硅高，适当提高其漂移区的掺杂浓度仍可以获得与硅功率 m o s 一样的或者更高的电压阻断能力，而器件的特征导通电阻可以因掺杂浓度的 提高而大大降低，使器件获得强大的电流处理能力。 鉴于s i c 作为半导体材料良好的应用前景，美、英、日等过都确立了s i c 器 件的研究开发计划，美国的s c e p t r e 计划和日本的“硬电子学”计划。美国国防部 高级计划研究局( d a r p a ) 组织成立宽带隙半导体技术创新组，开发s i c 、g a n 等宽带隙材料及器件，正在研制的大直径、均匀性好、缺陷密度低的s i c 单晶及 耐压1 0 k v 以上，工作电流1 0 0 a 以上，开关频率大于1 5 0 k h z 的功率器件。 4 4 h s i c 功率m o s f e t 特性研究与器件模拟 器件的特征导通电阻和击穿电压是功率m o s f e t 的两个最重要的参数。击穿 电压的大小直接决定着器件的耐压能力，要想使m o s f e t 获得一个较高的击穿电 压，必须对器件结构进行仔细的研究，本文的工作之一就是通过对器件结构的研 究，得出器件要正常工作器件必须满足的结构要求。 对于功率m o s f e t 而言，要想降低器件的导通损耗，就必须降低器件的特征 导通电阻，自从1 9 9 6 年第一个s i c 功率d m o s f e t 提出后，s i c 功率m o s f e t s 的研究取得了很大的进展，在这段时期内，器件的阻断电压从7 6 0 v 增大到1 0 k v ， 然而特征导通电阻方面并没有取得很大进展。其中个主要的原因是由于s i c 和 二氧化硅界面低的反型层迁移率导致大的沟道电阻，目前随着界面电子质量的提 高、器件制造中短沟道d m o s f e t 自校准工艺和积累型沟道的出现，沟道电阻大 大下降。仿真显示沟道区电阻、积累层电阻、j f e t 区电阻和漂移区电阻在总电阻 中扮演着相同重要的角色。本文构成特征导通电阻的四个主要部分( 沟道区电阻、 积累层电阻、j f e t 区电阻和漂移区电阻) 进行详细分析和研究，通过改进器件结 构、优化器件的掺杂浓度获得较低的特征导通电阻。 1 3 本文的主要工作 全文共分为五章，本章为第一章绪论，简要的介绍了s i c 功率m o s f e t 的研 究现状和研究意义，同时对全文的基本框架进行了简要的说明。 第二章主要介绍了s i c 材料的基本性质，功率m o s f e t 的两种基本结构，以 及功率m o s f e t 作为开关器件的优点，对目前功率m o s f e t 研究所出现的问题也 进行了详细的说明。最后对目前国际上普遍采用的器件模拟软件i s e t c a d 进行 器件的模拟基本步骤，基本的模型参数和材料的模型参数进行了详细的说明，为 后面的器件模拟铺平了道路。 第三章重点阐述了功率m o s f e t 工作的原理，器件的电学参数，同时对本文 提出的d i m o s f e t 的结构和各个区域的掺杂浓度和厚度进行了介绍，对各个区域 在器件工作中发挥的重要作用也做了详细的解释。 第四章建立在第二章和第三章的基础上，对4 h s i c 功率m o s f e t 进行了特 性模拟和器件参数优化。4 1 节主要介绍了氧化层厚度和p 基区浓度对阈值电压的 影响；4 2 节主要是对器件阻断特性的研究；4 3 节研究器件参数对导通电阻的影 响，对影响导通电阻的三个主要电阻进行了详细的分析和优化，4 4 节对器件的 j f e t 区、电流扩展层( c s l ) 和漂移区的浓度进行优化，给出优化后器件的导通 电阻和击穿电压值。 第五章对全文进行总结，对本文的研究成果进行总结，对工作中存在的不足 和目前尚未解决的问题进行分析介绍，对今后的主要工作进行展望。 第二章s i c 功率器件基础 5 第二章s i c 功率器件基础 本章主要介绍s i c 功率器件基础，内容安排如下：首先介绍了s i c 材料的基 本性质，其次介绍了s i c 功率m o s f e t 的两种基本结构以及功率m o s f e t 的作为 开关器件的优点，同时对器件研制过程中的问题进行了介绍，最后介绍了本文所 使用的器件仿真工具i s e t c a d 的模型参数。 2 1s i c 基本性质 研究半导体器件必须了解所用材料的基本性质，因此对于全文所研究的 4 h - s i c 功率m o s f e t ，我们需要对s i c 的基本性质有一定的认识，只有这样才能 在器件模拟过程中全面考虑到器件材料与器件结构之间的关系。 近年来，由于s i c 材料独特的性质：宽禁带、高击穿电场、高饱和漂移速度 和热导率，在大功率和高频率器件应用方面具有巨大的潜力而备受亲睐。本节首 先介绍s i c 材料的特性，然后讨论了s i c 材料的制备。 图2 1 碳原子位于四个硅原子形成的四面体形状的中心 s i c 是- v i 族二元化合物半导体，也是元素周期表中族元素中唯一的一 种固态化合物。它具有高稳定性，常压下不可能熔化，在高达2 1 0 0 。c 的温度下发 生升华，分解为c 和s i 蒸汽，低于1 5 0 0 。c 时具有相当够的稳定性。从结晶学来分 析，在自然界中存在着2 5 0 多种s i c 同型异构体，每一种晶体都是由s i c 分子按 照特定次序堆垛形成。图2 1 中表示一个s i c 分子，该分子中一个碳原子位于四个 硅原子形成的四面体形状的中心。最常见的同型异构体为立方密排的3 c s i c 和六 方密排的4 h 、6 h - s i c ，其中数字代表堆垛周期中的双原子层数。六方结构的s i c 中 常常夹杂菱方结构的1 5 r 、2 1 r 。立方结构的s i c 通常称卢一s i c ，六方结构的s i c 通常称为a s i c 。 4 h s i c 功率m o s f e t 特性研究与器件模拟 图2 2 给出了s i c 层次结构，位于四面体中心的c 原于链接这两层中的三个 s i 原子。其中一个s i 原子位于下层，两个s i 原子位于上层。图23 是结构的俯视 图( 方向) 。图2 4 为几种常见s i c 同型异构体的原子堆垛示意图。2 h - s i c 中原子的堆垛次序为a b a b a b，3 c - s i c 的为a b c a b c，4 h s i c 的为 a b c b a，6 h s i c 的为a b c a c b a 。不同类型的同型异构体具有不同的光学 性质和电学性质。在已知的2 5 0 多种s i c 同质多型体中，最常见的是4 h s i c 、6 h s i c 和3 c s i c ，而商业化的只有4 h - s i c 和6 h - s i c 两种。由于4 h - s i c 有着比6 h s i c 高过5 0 的载流子迁移率而成为s i c 功率器件的首选材料。而4 h - s i c 的迁移率有 着很小的各向异性，这使它对用于功率器件的制造有很大的吸引力。 闰22s i c 中s l 原子( 白色) 和c 原予( 黑色) 的位置 图23c 原子的位苴( 0 0 0 1 晶向) i 引 第二章s i c 功率器件基础 7 o bqb 母b母 镫a 锊a 镫a镫 3 c2 h 图2 4 四种s i c 同型异构体的堆垛次序 a b c a c b a 材料 s i g a a s3 c s i c6 h - s i c4 h - s i c o 晶格常数( a ) 5 4 35 6 54 3 5 9 6 3 0 8 1 1 5 0 9 23 0 8 1 1 0 0 6 1 热稳定性好一般极好极好极好 禁带宽度最 1 1 21 4 3 2 2 33 0 23 2 6 ( e v ) 相对介电常数 1 1 91 2 51 09 79 7 热导率 1 5 o 5 44 94 94 9 ( w k c m ) 临界电场 0 30 62 o3 23 0 电子饱和漂移 1 0 72 1 0 72 1 0 72 5 1 0 72 5 x 1 0 7 速度( c m s ) 少子寿命( s )2 5 1 0 31 0 8 ( 1 1 0 ) 1 0 一9 ( 1 1 0 ) 1 0 9( 1 1 0 ) 1 0 由 电子迁移率 1 4 0 08 5 0 01 0 0 06 0 01 0 2 0 ( c m 2 v s ) 空穴迁移率 6 0 04 0 04 04 01 1 5 ( c m 2 v s ) 熔点( k )1 6 9 0 1 5 1 0 2 1 0 0 2 1 0 0 2 1 0 0 最高工作温度 6 0 07 6 01 2 5 01 5 8 01 5 8 0 ( k ) 表2 1 室温下几种半导体材料特性的比较 表2 10 s 为几种常见的s i c 同型异构体与s i 、g a a s 材料的性能参数。从表中 羹参g 母 兰 母蛋g 8 4 h s i c 功率m o s f e t 特性研究与器件模拟 可以看出，与常用的s i 基和g a a s 基半导体器件相比，s i c 器件具有宽的禁带宽 度( 2 2 3 2 e v ) 、高的临界击穿电场( 2 4 x 1 0 6 p y ) 、快的饱和速度( 2 1 0 7 c m s ) 、 高的热导率和可与s i 相当的迁移率特性。大的禁带宽度使s i c 器件的泄露电流大 大减少，使s i c 器件具有优良的高温工作特性；二倍于s i 的饱和速度使得s i c 器 件具有低的导通损耗，具有优良的微波特性；三倍于s i 的热导率有助于s i c 器件 的散热，提高功率密度和s i c 集成电路的集成度；十倍于s i 的临界击穿电场，极 大的提高了s i c 器件的耐压容量，工作频率和电流密度。s i c 的这些优良的特性使 其在高温、高频、大功率、抗辐射半导体器件等方面的应用备受亲睐，是实现与 高功率、高频及抗辐射相结合的理想材料，并和g a n 、金刚石材料一起被誉为是 发展前景十分广阔的第三代半导体材料。 2 2 功率m o s f e t 基本结构 电源开关是所有电力电子系统的主要组成部分之一，逆变器电路、d c d c 转 换器、驱动电路等都不能没有电源开关，随着额定功率的增加、成本的降低，电 源开关在电力电子系统中被大量使用。在电源开关的发展中，晶闸管和双极晶体 管在2 0 世纪5 0 年代被最先引入。晶闸管由于高电压和高功率被广泛的使用，然 而双极晶体管由于快速的转换能力主要用于中低功率应用中。2 0 世纪7 0 年代后期 发明了第一个功率m o s f e t s 。自从功率m o s f e t 发明以来功率m o s f e t 获得了 很大的发展。然而在功率m o s f e t s 中电压阻断能力限制了功率水平的上限， m o s f e t s 的反向阻断能力依靠的是漂移区二极管的反向阻断能力，高的阻断能力 意味着高的漂移区电阻，而这又增加了开态的压降和功率损耗。因此，功率 m o s f e t 的设计是漂移区电阻和器件阻断能力的一个权衡。研究的目的就是为了 增加额定电压的同时降低功率损耗，科学家们已经寻找出一个新的材料，这种材 料有助于再得到高的额定电压的同时获得较低的功率损耗。s i c 就是这样一种材 料。 随着功率器件研究的不断进展，功率m o s f e t 也产生了很多新的结构，例如 三注入功率m o s f e t ，积累沟道的m o s f e t 等等，但是基本上都是由u m o s f e t 和d m o s f e t 这两种基本结构发展而来。所以本节主要介绍这两种基本功率 m o s f e t 结构。u m o s f e t 其命名源于u 型沟槽结构，该u 型沟槽结构利用反离 子刻蚀在栅区形成。u 型沟槽结构具有较高的沟道密度，使得该器件的开态特征 电阻显著减小。d m o s f e t 采用了平面扩散技术，采用难熔材料，如多晶硅作掩模， 用多晶硅栅的边缘定义p 基区和矿源区。d m o s 的名称就源于这种双扩散工艺。 利用p 基区和矿源区的侧面扩散差异来形成表面沟道区域。由于s i c 材料扩散速 度很慢，使用扩散工艺来制造m o s f e t 结构是不现实的，所以就在利用s i c 制造 第二章s i c 功率器件基础 9 m o s f e t 时使用双注入来形成p 基区，这就是所谓的d i m o s 。 2 2 1u m o s f e t 结构及特点 由于s i c 材料的特殊性质，利用扩散工艺制造d m o s f e t 是不现实的，而且 d m o s f e t 也存在j f e t 颈区电阻的限制，即使采用更小的光刻尺寸，单位面积导 通电阻也很难降到2 m f l c m 2 ，沟槽结构可以有效解决这个问题。u 型沟槽结构如 图2 5 所示1 1 6 1 。 o s a t m e e o x幽 - 。 ! l n + r c h 虮喇萎 pb a s e l 。 i l d r j l t 圣 。 。 亏h d r i f t r e g i o n n + l o 4 h s i c 功率m o s f e t 特性研究与器件模拟 用平面自对准扩散工艺( 对于s i c 是双注入工艺，即d i m o s f e t ) ，以此在水平方 向形成与m o s 结构相同的多子导电沟道，沟道长度一般只有1 2 p m 。图中，+ 为源区，一外延层为漂移区；下面的+ 为漏区，p 型沟道区通过白对准扩散工艺 制成，利用同一多晶硅栅进行p ( p 基区) 、n ( n + 源区) 两次自对准扩散，并利用 两次扩散的横向扩散差形成沟道，沟道是横向的。 s o r e o x i d e r 主1 l 艮p 附b a $ 簟几r 衅l l l p$ 簟r m ； 、一 ： ，硼 二 旷 图2 6d m o s f e t 的基本结构 基本结构d m o s f e t 的特点：基本的d m o s f e t 能克服u m o s f e t 低阻断电 压的问题，但是d m o s f e t 颈区电阻和低的反型层迁移率需要通过改善d m o s 的结构进行解决。这也是作者本文所关注和研究的方向。 2 3 功率m o s f e t 的优点 从上节介绍的各种功率m o s 器件的结构中可知，这种功率半导体器件具有很 多双极晶体管和晶闸管不具有的一系列优点，在实际应用中占有越来越重要的地 位。本节将具体介绍功率m o s 器件的这些优点。 1 ) 开关速度高、开关损耗小，是一种可以工作于高频的高速功率器件。m o s 器件的漏源电流都是流过沟道区的多数载流子电流，即该器件是依靠多数载流子 导电的多子器件，不存在少子存储延迟时间效应。其开关时间主要由栅压电容g 。 的充放电时间决定，而功率m o s 的c 淼一般很小( 几p f ) ，c k 。的充放电时间很 短，所以功率m o s 的开关时间很短，一般在几n s 至数十a s ( 低压器件为1 0 n s 数 量级，高压器件为l o o n s 数量级) 。不像功率双极晶体管那样，由于存在少数载流 子存储效应，器件开关时，存在着有源区少数载流子的注入和抽取现象。所以其 开关速度比功率m o s 慢的多，通常要慢一个数量级。因此功率m o s 是一种比较 理想的可工作于高频的功率开关器件，用它制作高频开关，可以大大减少电抗元 第二章s i c 功率器件基础 件的损耗，减轻重量，缩小体积。 2 ) 漏电流为负温度系数，热稳定性好，安全工作区宽，有自镇流作用。从器 件物理知道，流过功率m o s 沟道区的多子电流，嬲，与沟道区的多子电荷q 和沟 道区的多子漂移速度，成正比，即 k o cq ， ( 2 1 ) 式中的q 与栅源电压吆。有关， q = 一巳( 一巧一y ) ( 2 2 ) 其中的巳是栅氧化层m o s 电容，巧为阈值电压，v 是由在沟道某处建立 起的点位。式中的多子漂移速度，取决于沟道中的迁移率以及沟道区中的电场强 度e ，即 v = e ( 2 3 ) 将( 2 2 ) 和( 2 3 ) 式代入( 2 1 ) 中可知 一o l m s 芘坐 ( 2 4 ) a ra 7 即漏电流的温度系数取决于多子在沟道中的迁移率“的温度系数。 大家知道，当器件的温度t 升高时，原子的热运动加剧；与载流子的碰撞几 率增加，载流子在沟道区中的迁移率减小。即多子迁移率的温度系数是负的。 根据式( 2 4 ) ，功率m o s 漏电流的温度系数也负的。由于功率m o s 器件电流的 温度系数是负的，这使得该器件具有功率双极型器件所没有的下列两个突出优点： ( 1 ) 避免了二次击穿，安全工作区宽。 我们知道，功率双极型器件的温度系数是正的，因此当其中某局部地区无毒 升高时，流过该处的电流将增大，电流增大反过来又使该处温度更高，温度更高 又使电流更大。因此在该处就会出现热电之间的恶性循环，使该处出现温度很高 的热点和电流的高度集中，导致器件的毁坏，即产生热击穿和二次击穿。二次击 穿现象的存在，大大限制了功率双极型器件的安全工作区。 当功率m o s 器件的局部地区温度升高时，由于电流温度系数是负的，流过该 处的电流将减小，流过该处的电流减小使该处产生的焦耳热也减小，因此该处的 温度下降，即功率m o s 避免了热电间的恶性循环及由此导致的局部热点和电流的 集中现象。因而，从根本上避免了二次击穿现象，使器件的安全工作区扩宽，可 靠性提高。 ( 2 ) 要增加电流容量时，可简单地将多个功率m o s 直接并联，无需像功率 双极型器件那样要使用平衡各并联器件电流的限流电阻，也不用任何温度补偿网 络。功率m o s 器件本身有电流自动调节功能，有自动均流和均温作用。比如，由 于某种原因，使得流过某国器件的电路增大时，则该器件产生的焦耳热也增多， 温度升高加快，致使流过该器件的电流自动减小。结果时间了各并联器件的自动 4 h s i c 功率m o s f e t 特性研究与器件模拟 均流和均温。 3 ) 电压控制器件输入阻抗高，驱动功率小，驱动电路简单，易与前级匹配。 由于功率m o s 器件的栅极与器件的其他部分隔了一层甄d ，绝缘层，其直流电阻在 4 0 膨q 以上，加之其栅源、栅漏电容都很小，因而它的输入阻抗非常之高，输入 电流非常之小；驱动电流非常直销( 1 0 0 n a 数量级) 、驱动功率非常之小，因而驱 动电路简单，可以直接被c m o s 、t t l 等集成电路驱动，而其输出电流则可达数十 安，故其电流增益非常之高，功率增益也非常之高。这给电流设计者带来了很大 的方便。功率双极型器件的输出电流要达到数十安，其基极驱动电流往往需要数 百毫安甚至上安培数量级，故驱动电路比较复杂。 4 ) 跨导线性高，放大失真小，频响特性好。 功率m o s 器件的沟道长度l 其值一般在1 2 p r o ，是属短沟道器件。当加上 漏源电压。后，沟道中的电场一般很高，沟道区中载流子的运动速度v 很容易出 现饱和。故器件的转移特性呈现出很好的线性。而双极晶体管和一般m o s 器件的 转移特性具有严重的非线性。因此功率m o s 是一种较理想的线性放大器件。在高 保真功率放大电路中具有其独特的优点。 综上所述，功率m o s 是一种理想的开关器件和线性放大器件。它具有开关速 度高，开关损耗小；保真度高，非线性失真小；功率频率高，频率响应好；热稳 定性高，安全工作区宽；输入阻抗高，增益大，驱动功率小，驱动电路简单等优 点。在应用中，使用者应该充分利用这些优点，设计出性能更好的应用电路。 2 4 器件模拟参数选取 本文运用国外研究机构大量使用的器件模拟软件包i n t e g r a t e ds y s t e m s e n g i n e e r i n g s ( i s e ) t e c h n o l o g yc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( t c a d ) 进行器件模拟，它是 用途非常广泛的一个软件包，可以用作器件模拟，工艺模拟，参数提取以及2 d 和3 d 图形显示。本文所用到的i s e t c a d 的主要工具是m d r a w ( 器件几何结 构，参杂泡面图和网格产生) ，d e s s i s ( 器件模拟) 以及i n s p e c t ( 1 d 曲线图) 。 m d r a w 是器件结构编辑工具，用它可以编辑产生单一材料或者多种材料结 合的器件。它饱和一个提供器件离散化网格的产生函数，该函数会作为d e s s i s 的 输入进行下一步操作。m d r a w 还提供各种解析掺杂浓度剖面图类型的详细说明， 包括高斯分布方程，误差分布方程以及恒定分布方程。 d e s s i s 可以通过用多维静态、瞬态和小信号分析模式，执行半导体器件的电 特性模拟以及热特性模拟。它支持任意形状的1 d 、2 d 和3 d 器件，这些器件可以 定义为已知参数的s i 、s i c 、i i i v 化合物等材料。d e s s i s 还包含大量改进的物理 模型，这些模型可以被用到任何特性的器件模拟中。d e s s i s 还可以进行混合模式 第二章s i c 功率器件基础 的模拟，这种情况下，正在检查中的器件可以放在包括其它d e s s i s 类型或者大量 s p i c e 类型的器件的电路中进行评估。同时，d